机电一体化交流伺服电机
交流伺服电机的工作原理
交流伺服电机的工作原理
伺服电机是一种特殊的电动机，它通过对电机的控制器进行反馈控制，实现精确的位置、速度和力矩控制。
以下是伺服电机的工作原理：
1. 传感器反馈：伺服电机系统通常会使用编码器来测量电机的转子位置，并将该信息反馈给控制器。
编码器可以采用绝对编码器或增量编码器，用于提供准确的位置信息。
2. 控制器：控制器是伺服电机系统的核心部件，它接收传感器反馈的位置信号，并根据设定值和反馈值之间的误差来生成控制信号。
控制器可以采用PID控制算法或其他控制算法，以确保输出信号能够精确地调节电机的转速和位置。
3. 动力放大器：控制器生成的控制信号会经过动力放大器，放大器会将低电平的控制信号转换为足够大的电流或电压，以驱动电机。
动力放大器通常具有过载保护功能，以防止电机过载或损坏。
4. 电机：伺服电机是一种特殊设计的电动机，它通常由一个转子和一个固定的定子组成。
控制器通过控制输出信号，调节电机的电流、电压和频率，以驱动转子旋转。
伺服电机通常具有高转矩、高精度和高响应速度的特点。
5. 反馈系统：伺服电机系统中的反馈系统起到提供准确位置信息的作用。
当电机工作时，编码器会不断测量转子的位置，并通过传感器将该信息反馈给控制器。
控制器会根据反馈信号和
设定值之间的误差来调整控制信号，以实现精确的位置控制。
通过以上的工作原理，伺服电机可以实现高精度的位置控制、速度控制和力矩控制。
它广泛应用于工业自动化、机器人技术、医疗设备等领域，为各种应用提供高效、精准的运动控制。
伺服电机知识汇总(直流-交流伺服电机)
伺服电机知识汇总（直流/交流伺服电机）伺服电机servomotor“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。
“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动;当控制信号发出时，转子立即转动;当控制信号消失时，转子能即时停转。
伺服电机是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机，其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。
伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似。
在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，接恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。
交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于10%～15%和小于15%～25%)等特点。
直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。
电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E 为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。
直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。
直流伺服电机的优点和缺点优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。
缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)交流伺服电机的优点和缺点优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制(取决于编码器精度)，额定运行区域内，可。
机电一体化技术六PPT课件
r1
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I2 Xm
(1-s)r2/s rm
I1
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Xm X2
（a）
I2
I1
Im （b）
I2 (c)
-I'2
I'1
-I2
I1
Im
Im
(d)
图6-19交流电动机等效电路及简化等效电路 （a）等效电路 （b）电流矢量 （c）简化等效电路 （d）简化电路电流矢量
20世纪50年代，无刷电机和直流电机实现了 产品化，并在计算机外围设备和机械设备上 获得了广泛的应用。20世纪70年代则是直流 伺服电机的应用最为广泛的时代。
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6.3.1直流伺服电机的分类与特性
直流伺服电机的基本结构与工作原理与一般直流电 动机相类似。
S Fa F0
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思考练习
1、步进电机的结构及工作原理是什么？驱动 方式有哪些？各有何特点？
2、直流伺服的特点是什么？驱动方式有哪些？ 3、交流伺服的特点是什么？驱动方式有哪些？ 4、各种伺服电机的区别和特点？ 5、液压执行机构的特点是什么？
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本章小结
对不同的机电一体化设备，伺服系统驱动部 件时所需功率的差异很大，在确定驱动方式 时一般从输出功率与响应频率两个方面综合 选择。液压驱动伺服系统输出功率大、响应 频率高。伺服电机驱动的伺服系统，对不同 的伺服电机具有不同的要求，因此具有所选 择的输出功率范围大、响应频率宽的特点。
（式6-13）
K一系统泄漏系数，一般取K＝1.2；
《机电一体化系统设计基础》形考作业2答案
机电一体化系统设计基础课程作业解答（二）一、填空题1．低频分量高频分量2．固有频率阻尼能力3．相对阻尼系数4．固有频率5．变频信号源脉冲分配器功率放大器6．最大动态转矩降低7．线性直流伺服放大器脉宽调制放大器8．电源频率磁极对数转差率9．电液比例阀电液伺服阀10．定位精度定位时间二、简答题1．如何提高伺服系统的响应速度？伺服系统的响应速度主要取决于系统的频率特性和系统的加速度。
（1）提高系统的固有频率，减小阻尼。
增加传动系统的刚度，减小折算的转动惯量，减小摩擦力均有利于提高系统的响应速度。
（2）提高驱动元件的驱动力可以提高系统的加速度，由此也可提高系统的响应速度。
2．步进电机是如何实现速度控制的？步进电机的运动是由输入的电脉冲信号控制的，每当电机绕组接收一个脉冲，转子就转过一个相应的角度。
其角位移量与输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步。
因而，只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可得到所需转动的速度和方向。
3．试述直流电机伺服系统中脉宽调制放大器的基本工作原理。
脉宽调制放大器是直流伺服电机常用的晶体管驱动电路。
利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率的方波电压，施加于直流电机的电枢，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，使电机的转速得到调节。
4．交流伺服电机有哪些类型？交流伺服驱动的主要特点是什麽？交流伺服电机有永磁式交流同步电机和笼型异步电机两类。
交流伺服驱动的主要特点有：（1）调速范围大；（2）适合大、中功率伺服系统；（3）运行平稳，转速不受负载变化的影响；（4）输出转矩较大，而转矩脉动小。
三、分析题1．分析传感器的误差对输出精度的影响传感器位于反馈通道，误差的低频分量影响系统的输出精度和系统的稳定性，因此传感器应有较高的精度；而误差的高频分量不影响输出精度，可以允许传感器及放大电路有一定的高频噪声。
2．分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。
机电一体化专业知识题库
机电一体化专业知识题库（277题）（注*的不适于中、初级职称）1、什么是机电一体化？机电一体化技术是由机械技术、计算机技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，有机融合而成的一种综合性技术。
2、什么是机械设计技术？机械设计技术是机电一体化的基础。
机电一体化产品中的主功能和构造功能，往往是以机械技术为主实现的。
3、什么是计算机与信息处理技术？信息处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存储和输出技术，它们大都倚靠计算机来进行，因此，计算机技术和信息处理技术是密且相关的。
计算机技术包括计算机硬件技术和软件技术、网络通信技术、数据库技术等。
机电一体化系统中主要用工业控制机（包括PLC，单片机等）进行信息处理。
机电一体化产品中，计算机和信息处理装置指挥整个产品的运行。
4、什么是自动控制技术？自动控制技术就是通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定规律运行。
自动控制技术的范围很广，包括自动控制理论、控制系统设计、系统仿真、现场调试、可靠运行等从理论到实践的整个过程。
机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、模糊控制、自适应控制等，在实际运用中越来越多地与计算机控制技术联系在一起，成为机电一体化中十分重要的关键技术。
5、什么是传感与检测技术？传感与检测技术是机电一体化的关键技术，他将所测得的各种参数如：位移、位置、速度、加速度、力、温度等和其他形式的信号等转换为统一规格的电信号输入到信息处理系统中，并由此产生出相应的控制信号，以决定执行机构的运动形式和动作幅度。
传感器检测的精度、灵敏度和可靠性将直接影响到机电一体化的性能。
6、什么是执行与驱动技术？执行与驱动技术的主要研究对象是执行元件及其驱动装置。
执行元件分为电动、气动、液压等多种类型，机电一体化产品中多采用电动执行元件；驱动装置主要指各种电动机的驱动电源电路，目前多采用电力电子器件及集成化的功能电路构成。
机电一体化习题和答案
机电⼀体化习题和答案<机电⼀体化复习题和答案>⼀.填空1. 通常⼀个较完善的机电⼀体化系统包含：动⼒、执⾏器、传感器、计算机和传动机构五部分。
2 传感器的静态特性指标主要有：线性度、灵敏度、迟滞度、分辨⼒和重复度等。
3. 电感式位移传感器是通过检测电感量的变化来检测被测量的位移。
4.滚珠丝杠副中采⽤双螺母是为了便于螺旋弧轴向间隙的调整。
5.在光栅式位移传感器中，莫尔条纹对光栅的栅距起到了放⼤作⽤。
6.谐波齿轮传动的三个主要部件是：刚轮、柔轮和谐波发⽣器。
7.直流伺服电机的优点是稳定性好、可靠性好、响应速度快和扭矩⼤等；⽆刷直流伺服电动机的优点是_____⽆换向器、可控性好和稳定性好__等。
8. 机电⼀体化技术是机械与微电⼦的结合；10. 传感器的灵敏度反映了被测量的数值处在稳定状态时，输出量的变化量与输⼊量的变化量的⽐值。
11. 电容式位移传感器是将被测物理量转换为电容变化的装置。
12. 滚珠丝杠副中滚珠的循环⽅式有内循环和外循环两种。
13. 测速发电机的负载电阻越⼤，其线性度越好。
14.步进电机的步距⾓指在电脉冲的作⽤下，电机转⼦转过的⾓位移。
15.直流伺服电机的机械特性指当电枢电压⼀定时，转矩与转速之间的关系；调节特性指在负载转矩⼀定时，电枢电压与转速之间的关系。
16.滚珠丝杆副中滚珠的循环⽅式有内循环和外循环两种17. 在谐波齿轮传动中，若柔轮固定、谐波发⽣器主动、刚轮从动，则主、从动件转向相同。
18. 传感器的迟滞特性是指输⼊量在增加和减少的过程中，同⼀输⼊量下其输出量的差别。
19、压电式加速度传感器中压电元件变形后所产⽣的电荷量与加速度成正⽐。
20、若max ?是传感器的最⼤⾮线性误差、FS y 为输出量的满刻度值，则传感器的线性度可表⽰为max ?⁄FS y 。
21、在机电⼀体化产品的功能原理⽅案设计中，其功能元的组合⽅式常⽤的有串联结构、并联结构和环形三种形式。
22、在单圆弧型螺纹滚道的滚珠丝杠副中，其接触⾓β会随轴向载荷⼤⼩的变化⽽变化。
机电一体化复习题
第一章绪论1.机电一体化的2个狭义概念、1个广义概念狭义：（1）机电一体化是利用计算机的信息处理功能对机械进行各种控制的技术。
（2）机电一体化是利用电子、信息（包括传感器、控制、计算机等）技术使机械柔性化和智能化的技术。
广义上可以简要概括为“机械工程与电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装路”。
2.机电一体化系统的基本组成与控制方式（1）机电一体化系统的基本组成①机械部分（机构要素）：像机器人的机械手那样实现目标动作。
②执行装路（能量转换要素）：将信息转换为力和能量，驱动机械部分运动。
③传感器（检测要素）：对机械运动结果进行测量、监控和反馈。
④控制装路（控制要素）：对控制信息和反馈信息进行处理，向执行装路发出动作指令。
（下面的图要求会画）控制器IT ----------- L |11，显示務I1—II卫幫机：—o 一!巾‘一执行養置I—「持动机构］一0—》------------------------- 传感毒＜--------------------------图2.2机电一怵化系统的组成（2）控制方式:开环：系统中无位路反馈，也没有位路检测元件。
②闭环：电动机带有速度反馈装路，被控对象装有位移测量元件。
③半闭环：这类系统的位路检测元件不是直接安装在进给系统的最终运动部件上，而是经过中间机械传动部件的位路转换，称为间接测量。
3.对比分析机械调速器与电子调速器(1)机械式调速器利用了著名的离心力原理，完全由机械零件构成，必须在准确得知各零件的重量和摩擦系数的基础上，通过选择和调整重锤及弹簧来进行精确控制。
优点：简单易制，调整及维护比较方便；但是灵敏度和调节特性较差。
且柔性差；(2)电子调速器：与机械调速器相比，电子调速器调速精度高，灵敏度也高，易实现自动化等优点，只要改变设定值和电路或者改变软件就可以选择采用P、I、D PI、PID，甚至更高级的控制，对于实现最佳控制具有很好的柔性。
交流伺服与变频技术及应用课程标准
《交流伺服与变频技术》课程标准课程名称:《交流伺服与变频技术》课程编码:10731108课程类型:理实一体化开课部门:机械工程系适用专业及参考学时:专业名称专业方向参考学分参考学时数控设备应用与维护各方向通用464一,前言1. 课程性质交流伺服与变频器在工业自动化领域地应用已经越来越广泛,交流调速代替传统地直流调速已成为工业自动化领域地趋势。
为了使学习内容能紧跟技术发展,以适应职业岗位地需求,特开设本课程。
本课程是《机电一体化》,《数控设备应用与维护专业》,《机电设备维护》等机电类专业地通用专业基础课程,是学生掌握面广量大地通用型交流伺服与变频器基础知识与应用,维修技能地支撑课程。
通过本课程学习,学生应掌握机电一体化设备应用与维修员在交流伺服与变频器应用与维修方面所需地理论知识;使得学生能够根据不同地控制要求,规划问题解决方案;能利用变频器与交流伺服地功能解决工程实际问题;能熟练操作,使用通用型交流伺服与变频器;并初步具备故障地分析与维修能力。
课程开设一学期,64 学时/4 学分。
2. 课程定位《交流伺服与变频技术》课程地教学重点是用于通用机械,纺织机械,包装机械,自动线,工业机器及配套产数控系统地普及型数控机床等机电一体化设备地通用型交流伺服与变频器,课程不包括全功能型数控系统所配套地交流伺服与主轴系统方面地内容。
课程内容涉及电力电子技术,运动控制技术,自动控制技术等,分变频器与交流伺服两个学习领域。
由于变频器与交流伺服地结构,原理,用途相近,出于知识与技能体系地考虑,课程设置时原则上应将两个学习领域合并,以增加系统性,避免学习内容地重复与交叉。
《交流伺服与变频技术》开设前,学生通过《机床电气控制与 PLC》,《电工与工业电子学》等课程地学习获得强电控制,变频调速与伺服,PLC 等数控系统主要组成部分地知识基础与安装调试地基本技能,然后进入本课程地学习。
本课程学习获得地知识与技能是后续地《数控系统连接与调试》,《数控机床故障诊断与维修》等课程学习过程地数控系统连接与调试,数控机床故障诊断与排除准备了知识与技能基础。
机电一体化章节习题答案(大学期末复习资料).docx
项目一机电一体化概述1-1 ＞试分析机电一体化技术的组成及相关关系。
机电一体化系统是多学科技术的综合应用，是技术密集型的系统工程。
其技术组成包括: 机械技术、检测技术、伺服传动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术等。
现代的机电一体化产品其至还包含了光、声、化学、生物等技术等应用。
1-2.列举各行业机电一体化产品的应用实例，并分析各产品中相关技术应用情况。
机电一体化技术是其他高新技术发展的基础，机电一•体化的发展依赖于其他相关技术的发展，可以预料，随着信息技术、材料技术、生物技术等新兴学科的高速发展，在数控机床、机器人、微型机械、家用智能设备、医疗设备、现代制造系统等产品及领域，机电一体化技术将得到更加蓬勃的发展。
1-3.为什么说机电一体化技术是其它技术发展的基础？举例说明。
机电一体化技术是其他高新技术发展的基础，机电一体化的发展依赖于其他相关技术的发展，可以预料，随着信息技术、材料技术、生物技术等新兴学科的高速发展，在数控机床、机器人、微型机械、家用智能设备、医疗设备、现代制造系统等产品及领域，机电一体化技术将得到更加蓬勃的发展。
1・4、试分析机电一体化系统设计与传统的机电产品设计的区别。
机电一体化系统设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统方法不同，它是以计算机为手段，其设计步骤通常如下：设计预测一信号分析一科学类比一系统分析设计一创造设计一选择各种具休的现代设计方法（如相似设计法、模拟设计法、有限元法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法等）一机电一体化系统设计质量的综合评价。
1-5.机器人组成系统有哪些?1-6.数控机床的种类有哪些，基本结构由什么组成？(一)数控机床的分类 1. 按照工艺用途分类金属切削类金属成形类特种加工类其他类：例如数控火焰切割机床、 2. 按机床的运动轨迹分类点位控制数控系统：只控制机床移动部件的终点位置，而不管移动所走的轨迹如何， 运动中不进行任何加工。
机电一体化
一、名词解释1、机电一体化：机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。
2、柔性制造系统：柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）是由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化。
3、传感器：传感器是机电一体化系统中不可缺少的组成部分，能把各种不同的非电量转换成电量，对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测，将其变成系统可识别的电信号，传递给控制单元。
4、伺服电动机：伺服电动机又称控制电机，其起动停止、转速或转角随输入电压信号的大小及相位的改变而改变。
输入的电压信号又称控制信号或控制电压，改变控制信号可以改变电动机的转速及转向，驱动工作机构完成所要求的各种动作。
5、感应同步器: 感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。
6、人机接口：人机接口（HMI）是操作者与机电系统（主要是控制微机）之间进行信息交换的接口，主要完成输入和输出两方面的工作。
7、PLC：可编程控制器（Programmable Logical Controller）简称PLC.是一种在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置，广泛应用在各种生产机械和生产过程的自动控制中。
8、变频器：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素以及过流/过压/过载保护等功能。
9、通信协议：通信协议是指通信双方就如何交换信息所建立的一些规定和过程，包括逻辑电平的定义、应用何种物理传输介质、数据帧的格式、通信站地址的确定、数据传输方式等。
机电一体化问题
（3）执行机构，它是用以完成操作任务的。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下，完成预定的操作
4.步进电机的结构和工作原理并指出其驱动组通电励磁， 产生反应磁阻转矩实现转动，定子有三对磁极 A-A，B-B，C-C，若转子有40个齿，定子每相磁极有5个齿，其齿距宽度 与转子一样，则相邻两个齿的夹角必 定是9°。
8.简述伺服电机的种类，特点和选择计算方法？
步进电机：转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制；构成廉价的开环系统；控制系统控制较简单。
直流伺服电机：高响应、高功率密度；可实现高精度的数字控制；换向器件需维护。
交流伺服电机：具有DC伺服电机的全部优点；需要磁极位置检测器；无接触换向器件，维护方便。
机电一体化系统的性能评价：一般是指按照明确目标测定对象的属性，并把它变成主观效用的行为，即明确价值的过程。在这个过程中，我们要对评价的事物与一定的对象进行比较，从而决定该事物的价值。
系统评价原则
(1) 客观性原则 客观性一方面是指参加评价的人员应站在客观立场，实事求是地进行资料收集、方法选择及对其评价结果作客观解释。
(2) 可比性原则 它是指被评价的方案之间在基本功能、基本属性及强度上要有可比性。
(3) 合理性原则 它是指所选择的评价指标应当正确反映预定的评价目的，要符合逻辑，有科学依据。
(4) 整体性原则 指评价指标应当相互关联、相互补充，形成一个有机的整体，能从多侧面综合反映评价方案。
3.机电一体化系统中，机械系统有哪几部分组成？各部分的要求？
2.机电一体化系统总体设计及评价准则？
总体设计是机电一体化系统设计的重要环节。
机电一体化第六章伺服驱动控制系统设计
钟。 F.体积小、自定位和价格低是步进电动机驱动控制的三大优势。 G. 步进电机控制系统抗干扰性好
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二、 伺服驱动控制系统设计的基本要求
1. 高精度控制 2. 3. 调速范围宽、低速稳定性好 4. 快速的应变能力和过载能力强 5. 6.
闭环调节系统。
(4) ①
② 调节方法。
(5) ① 使用仪器。用整定电流环的仪器记录或观察转速实际值波形，电
② 调节方法。
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六、 晶体管脉宽(PWN)直流调速系统
晶体管脉宽直流调速系统与用频率信号作开关的晶闸管系统相比，具 (1) 由于系统主电源采用整流滤波，因而对电网波形影响小，几乎不 (2) 由于晶体管开关工作频率很高（在2 kHz左右），因此系统的 (3) 电枢电流的脉动量小，容易连续，不必外加滤波电抗器也可平稳 (4) 系统的调速范围很宽，并使传动装置具有较好的线性，采用Z2
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(2) ① A. 步进电动机型号：130BYG3100D (其他型号干扰大) B. 静转矩15 N·m C. 步距角0.3°/0 6°
D. 空载工作频率40 kHz E. 负载工作频率16 kHz ② A. 驱动器型号ZD-HB30810 B. 输出功率500 W C. 工作电压85～110 V D. 工作电流8 A E. 控制信号，方波电压5～9 V，正弦信号6～15 V ③ 控制信号源。
(3) ① 标准信号控制系统（如图6-16） ②检测信号控制系统 （如图6-17）
③ 计算机控制系统（如图6-18）
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图6-16 标准信号控制系统图 图6-17 检测信号控制系统图 图6-18 计算机控制系统图
机电一体化系统第6章 执行装置及其控制-PPT精品文档
6.1.4 步进电动机的主要特点
1. 步进电动机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有 啸叫声：步进电动机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电动机在空载情况 下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电动机不能正常启动，可 能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电动机达到 高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到 所希望的高频电动机电动机转速从低速升到高速）。 2. 两相混合式步进电动机在低速运转时具有较大振动和噪声，步进电动机 低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，在实际工作中，通常采用以下方式来 减低振动和噪声： (1)如步进电动机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共 振区； (2)采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法； (3)换成步距角更小的步进电动机，如三相或五相步进电动机； (4)换成交流伺服电动机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高； (5)在电动机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较 大。
Βιβλιοθήκη 3. 动态特性 步进电动机的控制电流的增加和转速的上升不是瞬间完成的， 它需要有一个过度过程的时间，动态特性就是研究过渡过程 对电动机运行的影响。 当控制脉冲的时间大于步进电动机的过渡时间，电动机 呈步进运行状态。如果控制脉冲的时间间隔适当小于过渡过 程时间，在B相通电时，当转子还未减速到其稳定平衡点以 前，B相就断电而C相通电，则转子将继续顺时针方向转动， 这种状态就称为步进电动机的连续运行状态。如果控制脉冲 的时间间隔过度小于过渡过程时间，则出现丢步或堵转，步 进电动机失去工作能力。
低频特性：步进电动机在低速时易出现低频振动现象。 振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率 为电动机空载起跳频率的一半。这种由步进电动机的工作原 理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当 步进电动机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频 振动现象，比如在电动机上加阻尼器，或驱动器上采用细分 技术等。 矩频特性：步进电动机的力矩会随转速的升高而下降： 当步进电动机转动时，电动机各相绕组的电感将形成一个反 向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电 动机随频率电动机或速度）的增大而相电流减小，从而导致 力矩下降。所以其最高工作转速一般在300～600RPM。
直流(DC)与交流(AC)伺服电机及驱动
目录直流（DC）与交流（AC）伺服电机及驱动 (1)1.直流(DC)伺服电机及其驱动 (1)（1）直流伺服电机的特性及选用 (1)（2）直流伺服电机与驱动 (2)（3）PWM直流调速驱动系统原理 (3)2.交流(AC)伺服电机及其驱动 (4)直流（DC）与交流（AC）伺服电机及驱动1.直流(DC)伺服电机及其驱动（1）直流伺服电机的特性及选用直流伺服电机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。
其电枢大多为永久磁铁。
直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点。
但由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修。
20世纪60年代研制出了小惯量直流伺服电机，其电枢无槽，绕组直接粘接固定在电枢铁心上，因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合，否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配，增加了成本。
直流印刷电枢电动机是一种盘形伺服电机，电枢由导电板的切口成形，导体的线圈端部起换向器作用，这种空心式高性能伺服电机大多用于工业机器人、小型NC机床及线切割机床上。
宽调速直流伺服电机的结构特点是励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低，可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。
永久磁铁的宽调速直流伺服电机的结构如下图所示。
有不带制动器a和带制动器b两种结构。
电动机定子(磁钢)1采用矫顽力高、不易去磁的永磁材料(如铁氧体永久磁铁)、转子(电枢)2直径大并且有槽，因而热容量大，结构上又采用了通常凸极式和隐极式永磁电动机磁路的组合，提高了电动机气隙磁通密度。
同时，在电动机尾部装有高精密低纹波的测速发电机，并可加装光电编码器或旋转变压器及制动器，为速度环提供了较高的增量，能获得优良的低速刚度和动态性能。
日本发那科(FANUC)公司生产的用于工业机器人、CNC机床、加工中心(MC)的L系列(低惯量系列)、M系列(中惯量系列)和H系列(大惯量系列直流伺服电机）。
数控机床驱动电动机的分类
数控机床驱动电动机的分类作为一种现代化的机电一体化设备，数控机床在工业领域中担任着举足轻重的作用。
而驱动数控机床的电动机则是数控机床的核心部件之一，承担着重要的任务。
本文将按照驱动电动机的分类讲解其特点及用途。
首先是直流电机。
由于具有速度控制范围广、起动电流小、转矩平稳等特点，直流电机是较为常见的驱动数控机床的电动机之一。
直流电机采用全子波整流器，驱动起动电流小，且良好的调速控制性能能够实现较高的精度。
尤其在自动化装备制造领域，直流电机更是被广泛应用。
其次是交流电机。
由于其结构简单，制造成本低、使用维护简便等优点，交流电机是数控机床领域广泛应用的电动机。
特别是在高速旋转领域，如高速车削、高速铣削中，由于高速旋转所需的高功率、小体积等特点，交流电机是更加适合的驱动电动机。
再者是伺服电机。
伺服电机属于高性能、宽调速范围的驱动电动机。
伺服电机具有较高的控制精度，能够实现较高的精益加工效果。
同时，伺服电机在结构特点、使用维护等方面也拥有展现优势。
最后是步进电机。
步进电机是一类较为简单、容易控制的电动机。
步进电机的控制精度较高，能够通过控制脉冲数来控制转子转动的位置，细分驱动技术实现驾驶相对位置精度较高、工作精度稳定的优点。
但是其最大的缺点是运行频率较低，不能在高速运动情况下应用。
综上所述，数控机床驱动电动机多种多样，深受工业应用领域的欢迎。
不同类型的电动机各自具有独特的结构特点、制造方式、控制方法以及适用场合，在生产制造中扮演着不可替代的角色。
机电一体化系统设计伺服系统设计
机电一体化系统设计伺服系统设计机电一体化系统是机械、电子、控制、计算机等多学科的综合运用，将机械运动与电气部分深度融合。
其中，伺服系统是机电一体化系统的核心部分，起到了控制机械运动的重要作用。
本文将介绍伺服系统的设计过程和关键技术。
伺服系统设计的第一步是需求分析。
在开始设计之前，需要明确伺服系统的工作要求，包括速度、位置和力矩等方面的要求。
例如，对于一个工业机器人的伺服系统来说，需要考虑到其运动的速度、精度和动态响应等因素。
设计伺服系统的第二步是选择合适的伺服驱动器和伺服电机。
伺服驱动器是通过对电机的电流进行闭环控制来实现驱动。
根据伺服系统的需求，可以选择适当的伺服驱动器。
而伺服电机是伺服系统的执行器，设计中需要考虑到动态响应、力矩范围和稳定性等因素。
接下来，需要设计伺服控制器。
伺服控制器是用来对伺服驱动器进行控制的核心部分。
它负责接收传感器反馈的位置或速度信号，与设定值进行比较，并根据比较结果生成控制信号，驱动电机执行相应的动作。
伺服系统的控制律设计是伺服系统设计中的一个关键环节。
在设计控制律时，需要根据伺服系统的特性选择合适的控制策略。
常见的控制策略包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
根据伺服系统的要求和预期的性能，可以选择合适的控制策略，并根据实际情况进行参数调整。
此外，还需要考虑到伺服系统的稳定性和抗干扰性能。
稳定性是伺服系统的基本要求，需要保证系统的闭环控制能够稳定地控制电机的运动。
而抗干扰性能则是伺服系统的一个重要指标，能够评估系统对外界环境干扰的能力。
最后，还需要进行伺服系统的仿真和实验验证。
通过使用电路仿真软件、控制算法仿真软件等进行伺服系统的模拟仿真，可以评估控制算法的性能和系统的动态响应，并进行相应的调整。
在仿真验证的基础上，还需要进行实验验证，验证伺服系统的性能是否符合预期要求。
综上所述，伺服系统设计是机电一体化系统设计中的核心环节，需要从需求分析、选择驱动器和电机、设计控制器和控制律，以及进行稳定性和抗干扰性能的考虑，最终进行仿真和实验验证，确保伺服系统能够满足实际的工程需求。
机电一体化复习资料
名词解释1.三相六拍通电方式：如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，这种通电方式称为单双相轮流通电方式。
如A→AB→B→BC→C →CA→…2.伺服电动机：伺服电动机是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出电动机，以电子换向取代了传统的直流电动机的电刷换向的电动机3.伺服控制技术：一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。
4.变频调速：采用改变电机通电频率的方式来改变电机的转速的调速方式5.响应特性：指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。
6.中断：为了提高CPU的效率和使系统具有良好的实时性，采用中断方式CPU就不必花费大量时间去查询各外围设备的状态了。
而是当外围设备需要请求服务时，向CPU发出中断请求，CPU响应外围设备中断，停止执行当前程序，转去执行一个外围设备服务的程序，中断处理完毕，CPU又返回来执行原来的程序。
7.动态误差:动态误差在被测量随时间变化过程中进行测量时所产生的附加误差称为动态误差。
1.机电一体化技术是以（电子）技术为核心，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。
2.以下除了（继电器控制系统），均是由硬件和软件组成。
3.机电一体化技术是以（机械）部分为主体，强调各种技术的协同和集成的综合性技术。
4.在机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制的基本要求足( 精度、稳定性、快速响应性)。
5.在机械传动系统中，用于加速惯性负载的驱动力矩为( 电机力矩与折算负载力矩之差)。
6.在下列电机中，( 交流同步伺服电机)既可通过闭环实现速度或位置控制，又可作步进方式运行，且电机转速不受负载影响，稳定性高。
7.在开环控制系统中,常用（步进电动机）做驱动元件。
8.导程L0=8mm的丝杠驱动总质量为60kg的工作台与工件，则工作台与工件折算到丝杠上的等效转动惯量为（97 ）kg•mm2。
机电一体化系统设计第4章伺服系统设计1
常用的是前面2种调速方式。
晶闸管的结构与符号
晶闸管是具有三个PN 结的四层结构, 其外形、 结构及符号如图。
四
层
A
半
导
体
G
K
(a) 符号
A 阳极
三
二、步进电动机及其控制
1、工作原理：
当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的 路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A 级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最 小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆 时针方向转动一定的角度。
三、步进电动机及其控制
若通电脉冲的次序为A、C、B、A…，则不 难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这 样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步 进电动机的控制。
B
W 2 sin
W
2
由于θ值很小，条纹近似与栅线的方向 垂直，故称为横向莫尔条纹。
横向莫尔条纹重要特性: ①莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系 ②莫尔条纹具有位移放大作用 ③莫尔条纹具有平均光栅误差作用
原理图1
退出
4.2 伺服系统执行元件及其控制
一、执行元件类型及特点 二、步进电机及其控制 三、伺服电机及其控制
(1) 原理: 励磁绕组WF接到电压为的交流电网上，控制
绕组接到控制电压上，当有控制信号输入时，两 相绕组便产生旋转磁场。该磁场与转子中的感应 电流相互作用产生转矩，使转子跟着旋转磁场以 一定的转差率转动起来，其旋转速度为
n 6f( 0 1 s )p n 0 ( 1 s )
交流伺服电机优缺点
交流伺服电机优缺点
优点
1. 高精度
交流伺服电机具有高精度的特点，能够实现精确的位置控制和速度控制，适用于对运动精度要求较高的场合。
2. 高响应性
交流伺服电机响应速度快，能够在瞬间达到设定的速度和位置，适用于需要快速动作和实时响应的应用。
3. 广泛应用
交流伺服电机在各种工业领域得到广泛应用，如机械手臂、自动化生产线、医疗设备等，具有较好的通用性和适用性。
4. 能耗低
相对于直流伺服电机，交流伺服电机的能耗通常较低，能够节约能源成本，符合节能减排的趋势。
缺点
1. 成本较高
交流伺服电机的制造成本相对较高，包括设备本身价格高昂，安装和维护成本也比较昂贵，增加了项目投资的成本。
2. 复杂性较高
交流伺服电机的控制系统相对比较复杂，需要配套的控制器和软件，对人员的技术要求较高，需要专业的维护人员进行操作和维护。
3. 可靠性有限
受控制系统和电源系统的影响，交流伺服电机的可靠性相对较低，容易受到外部环境和电磁干扰的影响，需要加强防护和维护。
4. 冷却和散热
由于交流伺服电机在长时间高负荷运行时会产生较多的热量，需要进行散热和
冷却处理，增加了设备的设计和维护成本。
综上所述，交流伺服电机具有高精度、高响应性和广泛应用等优点，但在成本、复杂性、可靠性和散热方面存在一定的缺点，使用时需要根据具体需求和实际情况做出权衡和选择。
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由于矩形波的幅值恒定， 由于矩形波的幅值恒定，要使它的面积与相应的 矩形波的幅值恒定 正弦波的那一等分面积相等， 正弦波的那一等分面积相等，只能调整矩形脉冲的宽 度，这就是脉冲宽度调制（PWM）。 这就是脉冲宽度调制（PWM）。 PWM信号的生成方法有多种， PWM信号的生成方法有多种，最常用是用正弦波与 信号的生成方法有多种 三角波相交来产生的，三角波称为载波（ 三角波相交来产生的，三角波称为载波（亦称调制 波），其幅值恒定，而正弦波称为正弦控制波。图中 ），其幅值恒定，而正弦波称为正弦控制波。 其幅值恒定 PWM波脉冲的宽度对应于正弦波幅值大于三角波幅值的 PWM波脉冲的宽度对应于正弦波幅值大于三角波幅值的 那一部分，该宽度按正弦规律变化， 那一部分，该宽度按正弦规律变化，改变正弦控制波 的幅值，即可改变脉冲宽度， 的幅值，即可改变脉冲宽度，从而改变逆变器的输出 电压。 电压。
角前移，输出电压由u 上升到u 角前移，输出电压由u1上升到u2，电动机的转速将 上升到c 上升到c点，这对减少低速运行时的静差度、增大调 这对减少低速运行时的静差度、 速范围是有利的。 速范围是有利的。 晶闸管调压调速存在着： 晶闸管调压调速存在着：在低速时感应电动机 调压调速存在着 的转差功率损耗大，运行效率低；采用相位控制方 的转差功率损耗大，运行效率低； 式时，电压为非正弦， 式时，电压为非正弦，电动机电流中存在着较大的 高次谐波，电动机将产生附加谐波损耗，电磁转矩 高次谐波，电动机将产生附加谐波损耗， 也会因谐波的存在而发生脉动， 也会因谐波的存在而发生脉动，对它的输出转矩有 较大的影响。 较大的影响。
6.3.４ (PWM)型晶闸管变频调速系统 6.3.４ (PWM)型晶闸管变频调速系统 1.变频器的工作原理 1.变频器的工作原理
变频调速系统中的变频器通常分为交－ 变频调速系统中的变频器通常分为交－交变频器 和交－ 和交－直－交变频器两种。 交变频器两种。 交－交变频器直接将电网的交流电变换为电压和 频率都可调的交流电， 频率都可调的交流电，但输出电压的频率不能高于电 网的供电频率，这适用于低频大容量的调速系统。 网的供电频率，这适用于低频大容量的调速系统。 交－直－交变频器首先将电网的交流电整流为可 控的直流电，然后再由逆变器将直流电逆变为交流电。 控的直流电，然后再由逆变器将直流电逆变为交流电。
6.3.2 交流电动机调速种类
n=60f(1n=60f(1-s)/p 交流电动机调速系统种类常见有 1.变极对数调速； 1.变极对数调速； 变极对数调速 2.变转差率调速： 2.变转差率调速： 变转差率调速 （1)调压调速（2）电磁转差离合器调速（3）绕线异 1)调压调速（ 调压调速 电磁转差离合器调速（ 步电机转子串电阻调速（ 步电机转子串电阻调速（4）绕线异步电机转子串附 加电动势（串级调速）； 加电动势（串级调速）； 3.变频调速等 3.变频调速等。
频率的调节有：同步和非同步调制。 频率的调节有：同步和非同步调制。同步调制 方式的载波和正弦控制波的频率成比例地变化， 方式的载波和正弦控制波的频率成比例地变化，每周 载波和正弦控制波的频率成比例地变化 输出脉冲数不变；非同步调制方式的载波频率固定， 输出脉冲数不变；非同步调制方式的载波频率固定， 载波频率固定 只改变正弦控制波的频率。 只改变正弦控制波的频率。 采用正弦控制波与三角波相交生成PWM信号的方 采用正弦控制波与三角波相交生成PWM信号的方 PWM 法去改变正弦控制波的频率或幅值， 法去改变正弦控制波的频率或幅值，即可改变逆变器 输出频率或输出电压的幅值； 输出频率或输出电压的幅值；同时改变正弦控制波的 频率和幅值，即可达到调频又调压的目的。 频率和幅值，即可达到调频又调压的目的。
PWM信号的生成 （１） PWM信号的生成
PWM信号－－矩形脉冲序列的 PWM信号－－矩形脉冲序列的 信号－－
生成是根据下图的等效原则来实现的。 生成是根据下图的等效原则来实现的。
PWM逆变器输出电压的脉宽调制波是由控制电 PWM逆变器输出电压的脉宽调制波是由控制电 路按一定的规律控制半导体开关元件的通断而产生 的，这一定的规律就是PWM信号，逆变器的输出电 这一定的规律就是PWM信号， PWM信号 压是PWM信号的放大。 压是PWM信号的放大。 PWM信号的放大 将正弦波正半周划分为m等分，每一等分的正 将正弦波正半周划分为m等分， 弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等 的等高矩形脉冲代替， 的等高矩形脉冲代替，由m个等幅而不等宽的矩形 脉冲所组成的波形就与正弦波的正半周等效。 脉冲所组成的波形就与正弦波的正半周等效。同理 负半周也是等效的。 负半周也是等效的。
b.控制输入 b.控制输入 工作方式选择I 工作方式选择I I=0驱动输出为功率晶体管模式； I=0驱动输出为功率晶体管模式； 驱动输出为功率晶体管模式 为防止上、 为防止上、下桥臂的功率晶体 I=1驱动输出为晶闸管模式。 I=1驱动输出为晶闸管模式。 驱动输出为晶闸管模式 互锁推迟间隙选择K 互锁推迟间隙选择K 管因短路事故损坏，在上、下两管的驱动波中插入 管因短路事故损坏，在上、 一个延时，在此时间内两管均不导通， 一个延时，在此时间内两管均不导通，死区时间称 为互锁推迟间隙。 为互锁推迟间隙。 允许／禁止控制端L 允许／禁止控制端L 输出PWM PWM信号 T1～T6输出PWM信号。 L=0封锁驱动输出；L=1允许 L=0封锁驱动输出；L=1允许 封锁驱动输出
(2)8051单片机与HEF4752V构成 (2)8051单片机与HEF4752V构成 单片机与HEF4752V 的PWM型交流调速系统 PWM型交流调速系统 HEF4752V简介 ① HEF4752V简介 HEF4752V 引脚排列为双列直插28脚芯片， 引脚排列为双列直插28脚芯片， 28脚芯片 接正电源（+5V）， 接地。 ），V VDD接正电源（+5V），VSS接地。 a.驱动输出 主驱动输出T1～T6 a.驱动输出 主驱动输出T 驱动U 驱动V T1和T２驱动U相、 T3和T4驱动V 驱动W 相、 T5和T6驱动W相。AT1～AT6 辅助换相驱动输出， 辅助换相驱动输出，主电路采用 晶闸管时， 晶闸管时，AT1～AT6用于触发换 相晶闸管。 相晶闸管。
闭环调压调速系统可得到比较硬的机械特性，如图， 闭环调压调速系统可得到比较硬的机械特性，如图， 调压调速系统可得到比较硬的机械特性 当电网电压或负载转矩出现波动时，转速不会因扰动 当电网电压或负载转矩出现波动时， 出现大幅度波动。 出现大幅度波动。如a 点，对应的转差率s=s1 对应的转差率s=s 当负载转矩由T 变为T 当负载转矩由T1变为T2 时，若开环控制，转速 若开环控制， 将下降到b 将下降到b点。闭环控 制：转速下降， uG下 转速下降， 降而u 不变， 降而ug不变，则Δun 变大， 变大，调压器的控制
目前常用的PWM信号产生方法有以下几种： 目前常用的PWM信号产生方法有以下几种： PWM信号产生方法有以下几种 ①专用集成电路（ASIC) 专用集成电路（ 生成PWM信号的专用 生成PWM信号的专用 PWM
集成电路种类较多，如脉宽调制集成电路HEF4752V 集成电路种类较多，如脉宽调制集成电路HEF4752V 及供交流伺服电机用的PLL·PWM专用集成电路 及供交流伺服电机用的PLL·PWM专用集成电路 PLL·PWM TA8444F和PWM用的专用集成电路SL20等 TA8444F和PWM用的专用集成电路SL20等。 用的专用集成电路SL20 ②专用单片机 根据变频调速的需要生产的专
6.3.３ 晶闸管调压 调压调速 6.3.３ 晶闸管调压调速
通过改变感应电动机的定子电压进行调速， 通过改变感应电动机的定子电压进行调速，它主要 应用于短时 或重复短时 调速的设备 上。晶闸管 调压调速控 调压调速控 制系统结构 图：
该系统电路是采用Y形联结的三相调压电路， 该系统电路是采用Y形联结的三相调压电路，控 制方式为转速负反馈的闭环控制。反馈电压u 制方式为转速负反馈的闭环控制。反馈电压uG与给定 电压u 比较得到转速差电压Δ 电压ug比较得到转速差电压Δun，用Δun通过转速调节 器控制晶闸管的导通角。改变u 器控制晶闸管的导通角。改变ug的值即可改变感应电 动机的定子电压和电动机的转速， 动机的定子电压和电动机的转速，当ug＞uG ，调压器 的增加而变小，输出电压提高， 的控制角因Δ 的控制角因Δun＝ug－uG的增加而变小，输出电压提高， 转速升高， 才会稳定转速； 转速升高，至ug＝uG才会稳定转速；反之上述过程向 反方向进行。 反方向进行。
PWM型交流变频器 ２. PWM型交流变频器
交－直－交变频器的控制方式主要有电流型、 交变频器的控制方式主要有电流型、 电压型和PWM型 脉宽调制（PWM） 电压型和PWM型。脉宽调制（PWM）型变频器的特点是 PWM 调频和调压任务都由逆变器担当，二极管整流器提供 调频和调压任务都由逆变器担当， 恒定的直流电压，讨论PWM型变频器就是讨论PWM型逆 恒定的直流电压，讨论PWM型变频器就是讨论PWM型逆 PWM型变频器就是讨论PWM 变器， PWM型逆变器的主电路如图 型逆变器的主电路如图： 变器， PWM型逆变器的主电路如图：
6.3 交流伺服电机及其控制
6.3.1 交流伺服电机
交流伺服电机一般有两种： 交流伺服电机一般有两种：笼型异步伺服电机 和永磁同步伺服电机。笼型异步伺服电机的原理结构 和永磁同步伺服电机。 与笼型异步电动机一样的， 与笼型异步电动机一样的，区别在于笼型异步伺服电 机输出量可调，即输入电压、电流或频率具有可控性。 机输出量可调，即输入电压、电流或频率具有可控性。 永磁同步伺服电机的情况与笼型异步伺服电机是十分 相似的。 相似的。
PWM逆变器输出电压波形的每个周是由一组等幅而不 PWM逆变器输出电压波形的每个周是由一组等幅而不 等宽的矩形脉冲构成的，与半周正弦波等效， 等宽的矩形脉冲构成的，与半周正弦波等效，输出 电流波形很近似于正弦波。由于调频、 电流波形很近似于正弦波。由于调频、调压都在逆 变器内进行，调节及时且迅速， 变器内进行，调节及时且迅速，改善了系统的动态 性能。 性能。